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- たつぞう しげい
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1 日本天文学会春季年会 W213a 次世代赤外線天文衛星 SPICA: 日欧共同詳細検討結果芝井広 ( 大阪大 ) 中川貴雄 松原英雄 川勝康弘 (JAXA) 尾中敬 ( 東京大 ) 金田英宏 ( 名古屋大 ) 他 SPICA チーム ( 日本の中間赤外線観測装置については次の講演参照 ) 1
2 When and How did our Universe become Material-rich and Habitable? IR spectroscopy O Mg Si O O O H O D H H H H IR spectroscopy? Present: various targets to probe H 2, H 2 O, mineral & planetforming environments billion years ago: material enrichment through galaxy evolution. >12 billion years ago: first formation of mineral & organic matter.
3 星生成率密度 ( 赤外線 紫外線 ) ダストによる減光量 銀河成長最盛期 の特徴 : ダストに隠された星形成の割合が高い Burgarella et al. 213, A&A, 554, 7 赤方偏移 z Spitzer あかり Herschel の観測より z=1-3 でピーク ( 銀河成長最盛期 ) 赤方偏移 z この 銀河形成最盛期 に ダストによる減光量もピークを迎えている この高い赤外線光度は何が担っているのか? 巨大ブラックホールへの質量降着 (AGN) からの寄与はどれほどか? 上の図では AGN の寄与は SED モデルにより差し引き 図の誤差棒に現れない不定性要因 Madau & Dickinson 214 4
4 Normalized Spectrum Star Forming Regions of Various Scales Lk Ha234, by Subaru 3 Dor by HST Photosphere PAH Features Dust Continuum M82 Arp22 M1 Gas Lines 1 4 L 1 7 L 1 11 L 1 kpc 1.4x1 12 L M82 by HST Arp22 by HST 5
5 Log (LIR (L ) Φ (Mpc -3 dex -1 )) Luminosity Evolution of Main Contributor in Each Epoch Peak Shift z=3 7 Present Universe Main Contributor in z= Log LIR (L ) Luminosity Function at Each Epoch Obtained with Herschel Gruppino et al. (213) 5
6 Flux normalized at 27 mm Gas Lines and PAH bands as a diagnostic tool of SF Activity [NeV] AGN [NeV] [OIV] PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons) Broad emission features originated from C-C and C-H bonds 6.2μm 7.7μm Smith et al μm 12.7μm [SIII] [Si II] 8.6μm [Ne II] (PAH band) [Ne III] [S III] Starburst Tommasin et al Wavelength (mm) Wavelength (in rest frame) (mm) [Ne V], [O IV] are robust tracer of AGN; hard radiation field. [Ne II] [S III], [O III], [N III], etc.: tracer of gas density, temperature, metallicity of SF galaxies. Merit of Gas Lines: simple excitation physics reliable estimate of physical conditions of SF activity. Relative Strength of PAH bands is an indicator of SF activity strength. Merit of PAH bands: stronger than gas lines Neutral PAHs Ionized PAHs Peeters et al Wavelength (mm) 8
7 Interplay of Galaxies/AGNs, Stars, and Materials How Galaxies made Stars/Planets and Materials During Their Growth in z=1-3? (Mass-Production Factory) Galaxy Evolution Did AGN accelerate or decelerate production? Did Heavy Elements accelerate production? How much? Interstellar Clouds Cooling by Heavy Elements O C N Fe Si Mg Element/ Material Production H, He from IGM Life? Stars/Planets Star/Planet Formation AGB SNe Silicate Ice,,,,, PAH CO H2O etc, 7
8 PLAN-D (New SPICA) 検討状況 1. ESA-JAXA 共同技術検討 技術的 かつ規模的に実現可能な 次世代極低温冷却赤外線望遠鏡の参照モデルが得られた 両機関それぞれの規模枠に収めるため 日欧の役割分担を再調整した ベースラインは 望遠鏡有効口径 2m 温度 6K 以下冷却する 横置き 構造 2. 欧州遠赤外装置 (SAFARI) が Fourier 分光から Grating 分光に変更 ( 最終決定待ち ) 米国有力研究者が正式参加 3. 日欧研究者の合意 コミュニティー ボトムアップの支援 ( 光赤天連 コアサイエンスチーム ) コアサイエンスを一層明確化して日欧宇宙機関にミッション提案 口径 2.5m 温度 8K が必要 ( 来週 Utrecht で日欧合同の全体会 ) 系外惑星トランジット観測可能性の検討 4. 今後の予定 JAXA 側今夏 ΔMDR+SRR 相当 ( 国際 ) 審査 + 計画変更審査 ESA 側今年募集開始予想の M5 に提案 225 年度打ち上げ 1
9 Results- Temperature Levels parasitic heat load from harness has been considered allocations are based on latest available SPICA results, accounting for the difference in temperature levels and taking 1% margin heat load on 1 st V-groove: 1 mw heat load on 1 st V-groove: 1 mw heat load on 3 rd V-groove: 4 mw heat load on shield: 7 mw STA baffle shield (top side) 21 K 3 rd V-groove 2 nd V-groove 1 st V-groove SVM (top side MLI) SVM <5 K 54 K 19 K 161 K 243 K 273 K
10 PLAN-B での役割分担 新分担案 望遠鏡 (ESA) ペイロードモジュール 焦点面観測装置 (FPIA) 遠赤外線観測装置 (SAFARI) 蘭 + 欧州連合 ( 計 13 か国 ) バスモジュール 中間赤外線観測装置 (SMI) 焦点面姿勢センサー (FAS) 機械式冷凍機 ( 検討中 ) SPICA データセンター ( 国立天文台 ) サイエンス検討 ( 日 欧 韓 台 研究者 ) ロケット打ち上げ 1 2
11 Extended PLM + SVM Configuration Technically Feasible and Financially Affordable as a Collaborative Mission by Both Space Agencies Blue: ESA Brown: JAXA 11
12 New SAFARI concept with grating Likely to be achievable with SAFARI consortium Heritage: SAFARI detectors/detector module, cooler SPIRE Beam Steering Mirror (BSM) ISO/SWS Fabry-Perot etalon BLISS echelle grating + cross disperser Sensitivity: For 6 m 2 aperture: ~8 1-2 W/m 2 4
13 Performance of TES and Electronics 2.5 x 1-19 W/Hz 1/2 demonstrated in the lab. Cambridge 388-pixel LW array measured SRON 64 and 72-pixel SW arrays measured 2 x 2 SW array fabrication demonstrated Measured optical efficiency ~ 6% >8% expected 16 pixels/channel FDM demonstrated Design well established thermal, mechanical, EMC/magnetic shielding (SAFARI/ATHENA FPA) all applicable to Grating based spectrometer 3
14 予想スペクトル線検出感度 SAFARI (Grating) Detector Noise dominates. Telescope temperature is required to be below 8 K SMI-Spec Read-out Noise of the detector array dominates. 2 hrs 14
15 SMI R5 1deg 2 blind survey + SAFARI-grating follow-up Obs. time: SMI-Cam (R5) = 42days (1hrs/field x1, 1 field = 6 x 6, sensitivity based on 2.5 m telescope). Detectable with 1 hrs exp. for the 1 deg 2 area. z >4 PAH galaxies total Log 1 L IR / L sun > <11 Galaxies for gas line diagnosis N.A. 8
16 SMI R5 1deg 2 blind survey + SAFARI-grating follow-up Obs. time: SMI-Cam (R5) = 42days (1hrs/field x1, 1 field = 6 x 6, sensitivity based on 2.5 m telescope). SAFARI: sensitivity 8x1-2 W/m 2 (2 hr, 5 s). Detectable with 1 hrs exp. for the 1 deg 2 area. z >4 PAH galaxies total Galaxies for gas line diagnosis Log 1 L IR / L sun N.A. > <
17 Sensitivity for Spectral Lines (W/m 2 ) Comparison of Infrared Telescopes Spitzer (85cm, 5.5K) AKARI (.7m, 6K) ISO (.6m, 2K) SOFIA (2.5m) 1 by Cooling & Sensor Technology Herschel (3.5m, 8K) 21's 1-19 JWST (6.5m, 45K) SPICA (2.5m, 8K) 22's ALMA Wavelength (mm) 17
18 SPICA ミッション再定義のための活動計画 ( 全体スケジュールの中の位置づけ ) SPICA プリ プロジェクト 平成 23 年 平成 25 年 平成 26 年 1 月 5 月 3 月 5 月 平成 27 年 9 月 平成 29 年 7 月 リスク低減フェーズ 概念設計 ( 見直し ) 計画決定 平成 37 年度打上げ ( 想定 ) PLAN-A PLAN-B 移行 PLAN-B 破棄 計画変更審査 新生 SPICA プロジェクト化 宇宙科学研究所にて活動をサポート ミッション再定義 活動内容 : 以下を想定した実現可能なミッション構成を示し 今後の計画見直しを行う 日本 : 戦略的中型計画 ESA: Cosmic Vision M5 アウトプット : < 新生 SPICA 開発計画 > 実現可能なミッション構成案 上記に対応した科学目的 ( 見直し ) 日欧の役割分担およびコスト見積り スケジュール 1 8
19 SPICA プロジェクト実施体制 JAXA ESA および欧州コンソーシアムとの密接な協力で 衛星全体の開発を進める 国内体制としては JAXA 宇宙科学研究所をコアとして JAXA 研究開発本部 環境試験技術センターなどの JAXA 内の密接な協力および 国立天文台 国内大学研究機関との密接な協力で開発を進める 特に日本が担当する焦点面観測機器については 大学コンソーシアムが主体となって開発を行う 19
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